物理学真的存在过吗？“小世界”不同于“大世界”的幻想！

「封面」｜黑客帝国计算机模拟的世界

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大家好，我是科学羊🐑。这里是物理学第11季第8篇，今天这篇我们来聊一个关于物理学的脑洞话题，这甚至影响到我们的世界观。

物理学不存在了！

这句话第一次了解是来自于《三体》，对于刘慈欣所谈的这个命题，其实是为了探讨一个极端而引人深思的问题：在一个技术和科学极度发达的文明面前，是否可能存在一种情况，使得我们赖以生存的物理学定律失去效用？

当然这听起来就是科幻，依赖于一个强大外星文明的干预，对我们来说，也许太过遥远了。

但是，我们今天所讨论的就依托于生活中的事实——物理学存在过吗？换个言简意赅的话题就是，物理学的客观事实是不是存在的，你所看见，摸到的是不是真正存在的事实。

其实，在日常生活中，我们几乎都能确定的一点是：我们观察到的物理现实确实存在。

这是毋庸置疑的，活生生的现实，更准确说，是在人类的世界里真实存在的。

我们接触的世界，有自己爱的人，有自己喜欢的事物，也有自己习惯的生活方式。一切都显得那么自然，好像一切都是为了我们的生活而设计的。

虽然这一结论背后有许多哲学假设，但这些假设与任何条件下的测量结果都不矛盾。

不管是通过人类感官、实验室设备、望远镜还是天文台，无论是自然状态还是人为干预，现实都是存在的。我们的科学描述正是基于这些测量，无论何时何地进行，都与对现实本身的描述一致。

然而，随着对现实理解的深入，一些曾被普遍接受的假设被推翻，其中最重要的是：现实以独立于观察者或测量者的方式存在。

也就是说，我不看这个世界的时候，这个世界所发生的事情依旧会发生...，我们的世界并不是高级文明模拟的。

针对这个问题，我还问过得到专栏作者万维钢老师，如下图：

万老师回复很有意思，也许世界就是模拟的，只是所有的事实都是“瞬时加载”...

事实上，20世纪科学的两个伟大进步——相对论和量子力学——特别挑战了我们对客观现实的概念，指出一个无法从观察行为中分离出来的现实。

我们接下来再仔细看看。

01 木星上的“光点”与客观现实

在1979年，旅行者1号飞越木星时，在其表面观察到一个短暂的“光点”，这是在木星大气中观测到的第一个火球事件。

这类事件在木星上发生的频率远高于地球，因为木星的引力吸引了大量物体进入其大气层。

旅行者1号在1979年飞越木星的时候，在木星表面看到了一个短暂的“光点”，这代表着在木星大气中观测到的第一个火球体事件。木星经历的这类事件至少是地球的数千倍，因为它的引力吸引了大量的物体进入木星。图片来源：NASA

尽管木星体积巨大，但这些物体不会实际撞击其表面。我们认为这些天体确实撞击木星，无论我们是否观察到它们。

客观现实的概念简单来说就是：现实存在，并且以一种独立于任何观察或测量的方式存在。

粒子的质量、电荷和其他固有属性不会因为测量者、测量位置、速度或方式而改变。

这是科学的一个重要基本观点：事物的“真实性”完全独立于是否或如何被检验。

02 物理定律与观察者无关的普遍性

从伽利略到牛顿，从法拉第到麦克斯韦，物理学历史上很好地证明了这一点。

万有引力定律似乎是普遍的，从地球上的物体到围绕地球运行的物体，再到围绕其他星体运行的行星、卫星和彗星，万有引力常数确实是一个常数。

无论两个不同的人测量一个物体的位置、运动或加速度，他们都会得到相同的答案。

最初，这似乎适用于电磁学和经典力学。

电和磁的定律在任何地方都是一致的，对静止和运动的电荷——无论速度如何——都同样适用。

无论这些是放射性粒子还是巨大的电荷集合，电荷在导体或绝缘体中的表现可能不同，但定律和常数以及测量结果是一致的。

03 相对论：改变我们对现实的理解

然而，随着长度收缩和时间膨胀的发现，情况开始变化，这最终导致了爱因斯坦的相对论发现。

如果你在地球上发射一个弹丸，每个人都能测量出其速度，唯一的区别是他们看到弹丸运动的方向不同。

Credit: John D. Norton/University of Pittsburgh

但是，如果抛射物在一个移动平台上，或观察者在一个移动平台上，他们可能测量到不同的速度和方向。然而，如果你知道各种平台的速度，每个观察者可以重建其他观察者的视角。

但是，如果抛射物是接近光速的粒子，甚至是光呢？

这时候，老规律就不起作用了。每个观察光的人总是看到光以相同的速度运动：299,792,458 m/s。

至此，空间和时间的概念不再是现实的客观部分，而是相对于观察者存在。两个观察者测量光线从地板到顶部镜子然后再回到地板所需的时间。

尽管两个观察者可能在时间流逝的问题上意见不一，但他们会在物理定律和宇宙常数上达成一致。

这时候，显然现实已经开始有点不太对劲了！

04 量子力学：挑战客观现实

在量子领域，事情变得更加违反直觉，因为实验结果取决于你如何进行观察或测量。

例如，考虑著名的杨氏双缝干涉实验。

双缝实验的结果显示了单电子干涉图样的积累。如果测量每个电子通过狭缝的路径，干涉图样就会被破坏，从而产生两个“堆”。每个面板中的电子数分别为11(a)、200(b)、6000(c)、40000(d)和140000(e)。(图片来源: Tomonura 博士，Belsazar/维基共享资源)

如果你将大量小物体扔过一个有两个狭缝的屏障，你会看到这些物体分成两堆。

但如果你使用量子粒子，如电子或光子，你会看到一个波状的干涉图案。

当有足够的粒子被计数时，整个图案显现出来。

如果你尝试测量每个粒子在通往后墙的路上穿过了哪个狭缝，量子行为会被破坏，结果只产生两堆。

观察行为改变了量子系统的表现。

当然，我们无法回答的问题是：是否存在一种客观的、独立于观察者的现实。

许多人假设它确实存在，并建立量子物理学解释来承认这一现实。

无论好坏，我们只能依据可观察和可测量的事实。我们可以物理地描述它，成功地，无论是否存在一个客观的、独立于观察者的现实。

此时此刻，我们每个人都有权决定是否更愿意接受“客观现实”这一哲学概念。

05 量子纠缠与客观现实的挑战

量子力学的纠缠对可以比作一台向相反方向抛出相反颜色球的机器。当鲍勃抓住一个球，看到它是黑色的，他立即知道爱丽丝抓住了一个白色的。在一个使用隐藏变量的理论中，这些球总是包含了关于显示什么颜色的隐藏信息。然而，量子力学表示，在有人看到这些球之前，它们一直是灰色的，后来一个随机变成了白色，另一个变成了黑色。贝尔不等式表明，有实验可以区分这些情况。这些实验证明了量子力学的描述是正确的。(图片来源: Johan Jamestad/瑞典皇家科学院)

量子纠缠是另一个挑战客观现实的现象。

它可以比作一台向相反方向抛出相反颜色球的机器。当一个观察者看到一个球是黑色的，他立即知道另一个球是白色的。

量子力学表示，在看到球之前，它们一直是灰色的，后来一个变成白色，另一个变成黑色。

2022年诺贝尔物理学奖揭示了独立于观察的现实类型受到的限制。宇宙中出现的结果与谁在测量以及如何测量密不可分。

总结

科学的目标是准确描述我们居住的宇宙，并在这方面取得了显著成功。

量子力学和相对论改变了我们对现实的理解，挑战了独立于观察者存在的现实概念。

量子宇宙可能违反因果关系，但科学依然能成功描述它。我们是否愿意接受客观现实的哲学概念，取决于个人选择。

好，今天就先这样啦～

科学羊🐏  2024/08/06

祝幸福~ 

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